工业控制网络与人机界面组态课件 网络互联设备

第五章网络互联设备本章学习要点:

●掌握网络互联设备的类型、层次与原理●掌握各层设备的作用、特点与应用●掌握Internet硬件接入设备的可选类型●熟练掌握集线器与交换机的区别与使用●了解OSI模型与网间互联设备的关系15.1

网络互联概述网络互联：所谓网络互联是指根据实际情况选择合适的技术和设备将相互独立的网络或计算机连接起来，从而达到数据交换和资源共享的目的。3.1.1网络互联的类型网络延伸随着局域网范围的扩展，电缆的长度需要增长但是，每种局域网的最大距离都是有限制的。210BASET：100m10BASE2：185m10BSEE5：500m2.网络分段在组建局域网时，往往需要进行网络分段。所谓网络分段是指将一个大的网络系统分解成几个小的局域网，然后通过网络互联设备（交换机、网桥或路由器）将各个子网连接成一个整体网络。33.网络互联的类型（1）网络互联的应用类型局域网之间的互联局域网与广域网之间的互联局域网通过广域网与Internet之间的互联多个远程局域网之间互联为广域网4（2）互联局域网的类型同构网络所谓同构网络是指具有相同特性和性质的网络，也就是说它们具有相同的通信协议，呈现给接入设备的界面也相同。异构网络所谓异构网络是指具有完全不同的传输性质和通信协议的网络。54.网络互联必须解决的问题如何在物理上把两种不同的网络连接起来。如何实现一种网络与另一种网络的互访与通信。如何解决两种不同网络之间在协议方面的差异。如何处理两种网络之间在传输速率方面的差别。65.1.2

网络互联的层次网间互联中的几个重要概念（1）网络的互联接互联接（简称互连）：指在物理网络之间必须存在一条以上的物理连接线路。（2）网络的互通互通信（简称互通）：指在网络互联接的基础上，网络之间可以进行数据交换的手段。7（3）网络的互操作指网络中的计算机具有透明地访问对方资源的能力，这种能力是建立在互联接和互通基础之上，通过高层软件实现的。注意：互联接、互通和互操作分别表示了不同层次的内涵，互联接是网络连接的物质基础，互通是通信手段，互操作是网络互联的最终目的，只有解决好这三个层次上的问题才能真正实现网络的“互联”。82.网间互连设备的层次物理层的设备主要设备有：中继器和集线器。物理层互连设备的主要功能：对不同电缆段之间的信号进行复制、整形、再生和转发位信号。使用物理层互连设备连接的网络在物理上成为一个网络。适用范围：局域网的延伸和扩展。9数据链路层的互连设备主要设备有：网桥和传统交换机。功能：数据存储、接收、根据物理地址进行过滤和有目的地转发数据帧。网络层的互连设备主要设备有：路由器。功能：路径选择、拥塞控制和控制广播信息主要用于：不同网络之间的互连。如，当一个局域网通过广域网与远程局域网连接时，就应当使用这层设备。10高层互连设备主要设备：网关。当互连的网络的传输层及以上层协议不同时就需要网关进行协议转换。目前使用最多的是：应用层网关。115.2

物理层的互联设备中继器中继器的功能用于连接两个网络的电缆段。它可以放大、整形、再生电缆上的数字信号，并按原来的方向重新发送该再生信号。中继器的使用规则在10Mb/s以太网中应遵循5-4-3规则。12所谓“5-4-3规则”，是指在10M以太网中中，网络总长度不得超过5个区段，4台网络延长设备，且5个区段中只有3个区段可接网络设备。即：一个网段最多只能分5个子网段；一个网段最多只能有4个中继器；一个网段最多只能有三个子网段含有PC

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使用和选择中继器时应注意的事项网段的接口。网段扩展的极限距离。使用中继器时，应注意所连接的各个网段的高层协议的兼容。2.以太网集线器集线器的分类14独立型共享式集线器堆叠式集线器模块化集线器使用集线器时应注意的因素中继规则。低速以太网的5-4-3规则，高速以太网的级连规定。集线器工作在物理层，因此要求它所连接的各个网段，在物理层以上使用相同或兼容协议。15网络接口。RJ-45，BNC，AUI，光纤接口。把双绞线，细缆，粗缆或光纤等不同传输介质的以太网连接在一起。传输速率。共享带宽。3.3数据链路层的互联设备当使用数据链路层的互联设备来连接两个或两个以上的网络时，允许物理层和数据链路层的协议相同或不同，但网络层以上的协议要兼容或相同。163.3.1网桥网桥的定义和应用条件网桥是用来连接两个或多个在数据链路层以下具有相同或兼容协议的网络互联设备，它由软件和硬件共同组成。网桥工作在OSI的第2层，IEEE802的MAC子层。使用网桥连接多个网络时，这些网络的物理层和数据链路层可以使用相同或不同的协议，但高层的协议应当相同或兼容。172.网桥的理论功能一个典型的网桥是包括具有CPU、存储器和两个网络接口的计算机。网桥不运行应用软件，它只完成一个功能：帧过滤，在需要时网桥才转发帧。特别地，如果一台计算机向同一网段上的另一台计算机发送帧，网桥就无需向另一网段转发该帧。当然，如果局域网支持广播或组播，网桥就必须传输每一个广播帧或组播帧使这个扩展桥接局域网象单个较大的局域网。18为决定是否要转发帧，网桥使用帧头部的物理地址。网桥知道网中每台计算机的位置。当帧从一个网段到达时，网桥就取出并检查目标地址。如果目的计算机所在网段与该帧所到达的网段相同，网桥不转发而把它丢弃。如果目的计算机不在该帧所到达的网段上，则网桥把该帧转发到另一网段。19透明网桥目前使用最多的网桥是透明(transparentbridge)。透明是指局域网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，因为网桥对各站来说都是看不见的。203网桥的实际作用和设计要点（1）网络分段网桥常用来分割一个负载过重的网络。因为，网桥具有帧过滤功能，这样，一个设计良好的网络可以使大多数数据帧不用跨越网桥就可以传送，从而减少独立网段上的信息流量，通常一个设计良好的网络，可以阻挡70%的通信量进入其他网段。21（2）延伸网络的距离使用中继器和集线器扩展局域网时要受网络设计标准中最大尺寸的限制，而网桥可以在更大范围内扩展局域网的距离。（3）使用网桥互联网络的条件网桥工作在数据链路层，可以连接第1层和第2层使用相同或不同协议的多个网络，但是3层以上应当使用相同或兼容的协议。特别是，网桥要使用数据帧头部的物理地址，因此，使用网桥互联的网络应具有相同地址格式，如，以太网和以太网的互联，以太网和802.5的互联22

（4）使用网桥设计网络的要点在使用网桥连接网络时，要注意它在网络中的位置。例如，如果将客户机和服务器分别放置在两个网络段中，而客户机又需要经常访问服务器，这时若将网桥放置在客户机和服务器所在的两个网络之间，将会带来不好的通信效果。234.网桥的分类（1）按网桥硬件所处的位置分类内部网桥：在服务器的内部安装，使用两块网卡加上相应的软件就可以组成内部网桥。外部网桥：一般是专用的硬件设备。（2）按网桥分布的地理范围分类近程网桥：连接两个相邻的局域网段。远程网桥：连接两个远程网段。此时，要使用两个远程网桥，远程网桥要成对使用。245.网桥的应用特点（1）优点网桥通过对不需要传递的数据进行过滤来实现基于物理地址的网络间的通信分段。网桥可以互联两个或多个网络。也就是说，网桥可以连接使用不同传输介质、不同介质访问控制方式、但高层协议相同或兼容的有条件同构的网络。通过网桥的过滤性能，隔离了不需要传播的信息。25（2）缺点要求网络层以上的协议相同或兼容。网桥会处理接收到的数据信息，从而降低网络的性能。网桥传递所有的广播信息，因此难以避免广播风暴。网桥没有路径选择能力，在存在多路径时，网桥只使用某一固定的路径。263.3.2以太网交换机以太网交换机与集线器的异同(1)不同之处①在OSI/RM中，工作的层次不同。②工作原理不同。以太网交换机的工作原理以太网交换机和网桥有很相似的工作原理。那么交换机是怎样决定将一个分组放到哪个输出端口上，才能把分组传送到它应该去的地方呢？27最常用的方法有两种：数据报或无连接的方法。虚电路或面向连接的方法。源路由选择。下面分别介绍数据报和虚电路方法。①数据报方法数据报方法的思想很简单，只需要确保每个分组带有足够的信息，使得任何一个交换机都能决定怎样使它到达目的地，也就是说，需要每个分组都带有完整的目的地址信息。28交换机1主机D主机C主机A320交换机2主机E主机F3121交换机3主机G主机H主机B00123数据报转发：示例网络目的地址端口ABCDEFGH30332100交换机2的转发表29②虚电路方法在虚电路方法中，一个主机把分组发送到另一个主机的过程可以看成两个阶段：第一个阶段是“建立连接”，第二个阶段是“数据传输”。在建立连接阶段，需要在源主机和目的主机之间的每一个交换机上建立连接状态。可以有两种方法来建立连接状态：第一，由网络管理员配置连接状态，这样建立的虚电路是“永久的”—PVC，管理员可以删除它。30第二，主机发送消息给网络，建立连接状态。由于人工配置非常复杂，所以一般采用第二种方法。虚电路交换机的连接状态由VC表中的每个连接记录组成。一个连接记录包括以下几部分：输入接口，此VC的分组从该接口到达。输入VCI，虚电路标示，包含在每个到达的分组中。输出接口，此VC的分组从该接口离开交换机。输出VCI，用于输出分组。31交换机具有过滤、学习功能，有些交换机还有差错控制的功能。集线器则没有这些功能，当它检测到某个以太网端口转发来的数据帧时，它会直接将该数据帧发往其他所有的端口，这样就会导致共享式局域网中的竞争信道问题，而且集线器不能保证数据传输的完整性和正确性。323.4网络层的互联设备网络层的互联设备主要是路由器（router)。路由器的基本概念路由器的主要功能是接收来自各个端口的数据分组，进行路由选择，并从合适的端口将接收到的数据分组转发出去。路由器：用来连接多个复杂网络，具有路由选择功能，网络层使用路由协议，工作在OSI/RM第3层的网络互联设备。33（2）路由表路由表：用来存储所连接子网的状态信息，如，网络上路由器的个数、相邻路由器的名字、网络地址以及相邻路由器之间的距离等内容。路由器在工作时，正是利用路由表来进行路由选择，确定数据包的最佳转发路径。常见的路由表有以下两类：34静态路由表由系统管理员事先设置好的，固定不变的路由表。它不会随未来网络结构的改变而改变。动态路由表它是一种可以根据网络系统的运行情况，自动调整的路由表。使用动态路由表的路由器会根据路由选择协议提供的功能，自动学习和记忆网络运行情况。352.路由器的工作原理IP地址及其规定编址方案IP地址的结构如上图，每个IP地址由两部分组成：网络地址（网络ID或网络编号），主机地址（主机ID或主机编号）。在IPv4中，IP地址由32位二进制比特位组成，每8位为一段，这样可以分成4段。网络地址

主机地址36为了便于记忆，每一段可以用一个十进制数表示，这样一个32位的IP地址可以用4个十进制数来表示，他们中间用“.”分隔，称为“点分十进制”表示方法。例如：202.103.47.52，就是用点分十进制表示的IP地址。它的二进制表示为：11001010

01100111

00101111

0011010037网络地址：用来辨认或标识一个网络的。主机地址：用来辨认或标识网络中的每一台采用TCP/IP协议的主机的。注意：同一网络中的所有主机的网络地址都是相同的，而主机地址都不相同。IP地址的分类IP地址的类型反映了以下内容：网络地址使用哪些位。38主机地址使用哪些位。每类网络中包含的网络数目。每类网络中可能包含的主机数目。那么IP地址主要分为A、B、C、D、E五类，常用的是A、B，C三类地址；D类地址为组播地址，E类地址为保留地址，以备特殊用途。39

A、B、C三类地址的网络号分别占用1、2和3个字节长度。A类地址的网络号的最高位为0；B类地址的网络号的最高两位为10；C类地址的网络号的最高三位为110。它们主机号分别占用3、2、1个字节长度。实际上当某个单位申请IP地址时，只是获得一个网络号，各主机号则由单位自行分配。40A类地址：这样A类地址的网络号范围为：00000000-----01111111用十进制表示网络号为0-1270网络号主机号网络地址主机地址31302928272625242322212019181716151413121110987654321041B类地址这样B类地址的网络号范围为：10000000,00000000---

10111111,11111111用十进制表示网络号为128.0-191.2553130292827262524232221201918171615141312111098765432101网络号主机号网络地址主机地址042C类地址：1网络号主机号网络地址主机地址10313029282726252423222120191817161514131211109876543210这样C类地址网络号范围为：用十进制表示网络号为192.0.0-223.255.255一个C类地址下的主机编码为28个。43D类地址：313029282726252423222120191817161514131211109876543210组播地址D类地址网络号范围为：用十进制表示为224.0.0.0-239.255.255.2551110313029282726252423222120191817161514131211109876543210保留E类地址：1111044网络地址的使用规则在配置和使用IP地址时，应当注意网络地址的以下几点规则：网络地址必须是唯一的。网络地址不能以127开头，因为127保留给诊断的回送函数使用。网络地址的各位不能为全“1”，全“1”作为广播地址。网络地址的各位不能为全“0”。45主机地址的使用规则主机地址对网络地址必须是唯一的，也就是说在同一个网络地址下，主机的编号必须是唯一的。主机地址的各位不能为全“0”。全“0”表示本地网络，如，“202.103.47.0”表示“202.103.47”这个C类网络。主机地址的各位不能为全“1”。全“1”表示直接广播地址。如，“202.103.47.255”标识了该网络上的所有主机，当该网络上的某台主机需要发送信息给该网络的所有主机时，使用这个地址。46“127.0.0.1”这个地址代表本地主机的IP地址，该地址不能分配给网络上的任何计算机使用。IP地址的分配和使用的基本规则同一个网络内的所有主机必须分配相同的网络地址，而同一个网络内的所有主机必须分配不同的主机地址。不同网络内的主机必须分配不同的网络地址，而可以分配相同的主机地址。47由于仅使用IP地址无法区分网络地址和主机地址（如，“202.103.47.52”)，因此，IP地址必须结合子网掩码一起使用。

子网掩码子网的概念我们常常将一个较大的网络分成较小的网络，每个小网络使用不同的网络地址，这样的小网络称之为”子网“。48子网掩码的功能与使用两台计算机在通信时，首先要判断彼此是否在同一个网络上，如果在同一个网络上，就可以直接进行通信，如果不在同一个网络上，就需要把数据分组转发到本网的出口，由出口负责处理。那么通信双方如何知道它们在同一个网络上呢？这需要通过它们的网络地址来进行判断。也就是说，在通信时必须分清网络地址。49要分清网络地址，则必须通过子网掩码才能实现。子网掩码的功能①区分IP地址中的网络地址和主机地址。不同类型的网络使用的子网掩码是不同的，下面是A、B、C三中不同网络默认的子网掩码。50网络类型子网掩码（二进制表示）子网掩码（十进制表示）A11111111.00000000.00000000.00000000255.0.0.0B11111111.11111111.00000000.00000000255.255.0.0C11111111.11111111.11111111.00000000255.255.255.051用子网掩码区分IP地址中的网络号和主机号的步骤：将IP地址转化为32位二进制数。将子网掩码也转化为32位的二进制数。将每台主机的32位IP地址与32位子网掩码按位进行逻辑与操作，将得到的32位二进制数按原有的4段分别转换为十进制数。子网掩码为”1“的各位对应的IP地址中的各位即为网络地址。接下来就可以用分离出的网络地址来判断两台主机是否在同一个网络上了，也就是说如果两台主机的网络地址相同，则表明它们在同一个网络上。52例如，有下面两个IP地址，要判断它们是否在同一个网络中。202.103.47.52202.103.55.43②划分子网子网掩码的另一个功能是用来划分子网。在实际应用中，常常会遇到IP地址不够用的情况。53例如，现在申请到了一个接入Internet的网络地址“202.103.47”，如果一个部门使用这个网络地址，那么会造成一些地址的浪费，可以几个部门共用这个网络地址，这样就需要进行子网的划分。也就是说，可以把主机地址的一部分用来做网络地址使用。可以用这部分地址作为内部网络的编号，内部网络间的数据交换可以由内部路由器完成。54例如，现在要将网络”202.103.47”划分为三个子网，我们应该如何做？

202.103.47.?255.255.255.？55默认网关在配置TCP/IP协议时，还需要设置默认网关。默认网关又称缺省网关。在远程通信中，主机可以通过默认网关将数据发给不同网络地址的目的主机。如果在配置TCP/IP时，没有指明默认网关，那么通信就只能局限于本地网络了，也就是说，你的数据包是没有办法被转发到其他网络中的。56手工安装和检测TCP/IP协议（1）安装TCP/IP协议（2）检测Ping命令的使用Ping本机：检查网卡是否正常加载并运行TCP/IP协议。Ping本机IP：验证本机IP是否与网络上其他IP冲突。Ping其他主机的IP：验证网络的连通性。57Ping默认网关：验证网关是否打开并正确运行。Ipconfig命令的使用Route命令的使用如何查询计算机的MAC地址？在运行里面输入CMd后键入ipconfig/all后可以看到一个物理地址，就是你电脑的MAC地址或者用鼠标右键点击右下角的网络图标/设置，就可看到MAC地址哦！58(2)IP中的数据报转发路由器要的主要工作：①数据报转发②路由选择数据报转发数据报转发就将从一个输入口得到分组发往适当的输出口。在讨论数据报转发之前，我们要记住以下几点：59在每个IP数据报中都包含有目标主机的IP地址。一个IP地址的“网络部分”唯一地标识作为Internet一部分的一个物理网络。连接在同一个物理网络上的主机和路由器的IP地址的网络部分相同，并且在该物理网络上可以发送帧进行通信。每个物理网络都是Internet的一部分，那么至少要有一个路由器，而且至少连接到一个其他的物理网络上，这个路由器可以与其他网络的路由器或主机交换分组。60下面讨论IP数据报的转发过程。①首先，我们要明白数据报从源主机发往目标主机时，中间可能要经过几个路由器。②那么它经过的每一个节点，无论是主机还是路由器必须证实它自己是否与目标主机在同一个网络中。③这一点可以通过将目标主机的“网络地址”与自己的“网络地址”进行比较来实现。61④如果目标主机和当前节点在同一个网络中，分组就可以直接在网络中传送了。⑤如果目标主机和当前节点不在同一个物理网络中，那么就需要将数据报发往一个路由器。⑥一般来讲，当前节点有几个路由器可以选择，它可以选择一个最佳的或有较好的机会使数据报能够更接近于目标节点的路由器。所选的路由器叫做下一跳(nexthop)路由器。62路由器可以通过查询它的转发表来找到正确的下一跳（转发表，在下面会进行讨论）。⑦通常，还有一个默认路由器，当表中的记录与目标主机的网络号不匹配时，就将分组发给默认路由器，由默认路由器进行转发。63路由选择路由转发的一个主要任务就是建立路由表，可以手工配置路由表，但是过于复杂，并且不能适应网络拓扑的动态变化，因此，一般通过运行一个路由算法来动态建立路由表。目前广泛采用的路由算法有这样几种：RIP（距离向量）OSPF（开放最短路径优先）64Internet的路由器选择协议路由协议分类：网关-网关协议（GGP）用于核心系统网关之间的路由交换;外部路由协议（EGP）用于不同自治系统（AS）之间的路由交换；内部路由协议（IGP）用于自治系统（AS）内部的路由交换。主要有RIP、HELLO和OSPF等。目前Internet采用自适应、分布式路由选择协议。65已知一个C类IP地址：202.103.47.0，对于下图网络，设计子网的分配。10个用户10个用户10个用户12个用户BACD66IP地址可以这样分配：BACD202.103.47.193---202.103.47.251掩码：255.255.255.192(58个用户和路由器)202.103.47.241---202.103.47.250掩码：255.255.255.240(10个用户和路由器)202.103.47.49---202.103.47.59掩码：255.255.255.240(10个用户和路由器)202.103.47.65---202.103.47.90掩码：255.255.255.224(25个用户和路由器)202.103.47.81，202.103.47.82(路由器)掩码：255.255.255.240202.103.47.5，202.103.47.6(路由器)掩码：255.255.255.252202.10